Как превратить масло в пластик?
«Только мы, люди, производим отходы, которые природа не может переварить». Это слова океанолога капитана Чарльза Мур, который обнаружил Большой Тихоокеанский мусорный полигон в 1997 году. И, конечно же, он говорит о пластике.
У большинства людей, читающих это, вероятно, будет что-то из пластика в пределах прямой видимости. Этот материал встречается повсеместно: сейчас мы производим более 300 млн тонн (272 метрических тонны) пластика в год, и примерно половина этого объема предназначена для одноразового использования – это означает, что он утилизируется сразу после того, как послужил своему назначению. Это привело к нарастающей проблеме пластиковые отходы попадают на свалки, и некоторые из этих отходов сбиваются с курса и попадают в реки и, в конечном итоге, в море. Фактически, около 8 млн тонн (7,2 миллиона метрических тонн) пластиковых загрязнений попадает в океан каждый год, где они запутывают морскую жизнь, загрязняют коралловые рифы и, в конечном итоге, подвергаясь деградации под воздействием воды, ветра и солнца, распадаются на триллионы крошечных кусочки микропластика.
Эти частицы пластика очень похожи на пищу для многих морских видов, которые затем наедаются загрязнением и в конечном итоге умирают от голода из-за отсутствия настоящего питания. Поверхность микропластика также привлекает загрязняющие вещества в океан и в конечном итоге переносит их в тела животных, с эффектами, которые мы все еще пытаемся понять. Существует вероятность того, что микропластик может нанести вред и людям, потому что мы потребляем их с морепродуктами и даже питьевая вода: в 2019 году Всемирная организация здравоохранения призвал к дополнительным исследованиям о потенциальном воздействии микропластического загрязнения на наше здоровье.
В основе всего этого лежит тот факт, что, в зависимости от ингредиентов, используемых для его изготовления, пластик может быть невероятно эластичным и никогда не может по-настоящему разлагаться (что для целей этой статьи означает эффективное восстановление микроорганизмами до основных повторно используемых соединений в природе. в воде и почве). Соедините это с объемом загрязнения окружающей среды пластиком, и у нас возникнет очевидная проблема. Например, большинство одноразовых пластиков, попадающих в океан, останутся там веками.
Как мы создали кризис стойкого пластика? Ответ кроется в процессе, который мы используем для изготовления самого пластика. Но сначала важно понять, что «пластик» – это не просто пакеты для покупок, которые мы представляем плавающими в океане.
Что такое пластик?
«Термин« пластик »часто охватывает широкий спектр неоднородных материалов, каждый из которых имеет разные применения, требующие очень разных физических свойств», – сказал Карл Редшоу, химик из Университета Халла в Соединенном Королевстве и участник университетского сотрудничества по пластмассам. проект, в рамках которого проводятся исследования, направленные на повышение устойчивости индустрии пластмасс. «На самом деле известно более 300 видов пластмасс», – сказал Редшоу Live Science.
Итак, если пластмассы такие разные, что у них общего? Они сделаны из полимеров, которые представляют собой молекулы, состоящие из множества повторяющихся звеньев, в образованиях, которые придают пластику многие из желаемых качеств, таких как гибкость, пластичность и прочность, которые они часто разделяют. Помимо этого, пластмассы обычно относятся к одной из двух широких категорий: пластмассы на биологической основе, в которых полимеры получают из таких источников, как кукурузный крахмал, растительные жиры и бактерии; и так называемые «синтетические» пластмассы, в которых полимеры синтезируются из сырой нефти и природного газа.
Несмотря на дружественное к Земле название, полимеры на биологической основе автоматически не имеют хороших экологических результатов, потому что они также могут сохраняться в окружающей среде и не разлагаться. «Не все пластмассы на биологической основе являются биоразлагаемыми полимерами, и не все биоразлагаемые пластмассы имеют биологическую основу», – пояснил Редшоу. Тем не менее, материалы, полученные из нефти и природного газа, в равной степени наносят самый серьезный вред окружающей среде, потому что пластмассы этой категории имеют тенденцию дольше сохраняться в окружающей среде, вызывая при этом и другие воздействия на окружающую среду.
Чтобы понять, почему, мы рассмотрим пример пластика, полученного из масел: возьмем охлаждающую бутылку из-под молока в холодильнике. Эта картонная упаковка начинает свою жизнь в гораздо более драматичном месте – глубоко в недрах Земли, как сырая нефть. Это вещество, накапливаясь в камерах высокого давления в земной коре, пробуривается, выкачивается на поверхность и транспортируется по трубопроводам на нефтеперерабатывающие заводы. Его плотный ил состоит из углеводородов, соединений, состоящих из комбинаций атомов углерода и водорода, которые образуют цепочки разной длины, придавая им разные свойства. Эти углеводороды – самое раннее сырье для производства пластика, готовое Землей.
На НПЗ по-настоящему запущено производство пластика. Здесь похожая на патоку сырая нефть нагревается в печи, которая разделяет углеводороды на разные группы – в зависимости от количества содержащихся в них атомов и их результирующей молекулярной массы – а затем подает их в ближайшую дистилляционную трубу. Внутри этой трубки более длинные, обычно более тяжелые углеводороды опускаются на дно, а более короткие и легкие поднимаются вверх. В результате сырая нефть разделяется на несколько отдельных групп химических веществ для использования, таких как нефть, бензин и парафин, каждая из которых содержит углеводороды одинакового веса и длины. Одна из этих групп – нафта, химическое вещество, которое станет основным сырьем для производства пластика.
Нафта похожа на золотую пыль при производстве пластика, потому что два из множества содержащихся в ней углеводородов – этан и пропен. Эти два соединения имеют решающее значение для формирования наиболее часто производимых и повсеместных пластиковых продуктов на Земле, в том числе того типа, который используется для упаковки молока. Но чтобы превратиться во что-то, что действительно может быть использовано для создания пластика, этан и пропен должны быть разбиты из неочищенного углеводородного состояния на более мелкие единицы.
Есть разные способы сделать это. Один из методов заключается в применении высокого тепла и высокого давления в среде без кислорода. Этот процесс, называемый «паровой крекинг», расщепляет углеводороды на более короткие молекулы, называемые мономерами.
«Мономеры, такие как этилен из этана или пропилен из пропена, могут быть получены прямо из нафты после термического крекинга» (который включает паровой крекинг), – сказал Пайал Бахети, научный сотрудник Астонского университета, занимающийся изучением экологически безопасных полимерных материалов. Наконец, упрощенные этилен и пропилен являются ценными ингредиентами, необходимыми для создания основы пластика.
Этот следующий шаг разворачивается в процессе, называемом полимеризацией, в котором эти отдельные мономерные ингредиенты химически объединяются в новые структуры для получения длинных повторяющихся цепей, известных как полимеры. В этом случае этилен и пропилен образуют полиэтилен и полипропилен – два самых распространенных и широко производимых полимера на Земле.
Итак, почему эти два полимера так популярны? Состав полиэтилена позволяет использовать его для изготовления пластиков разной плотности – то есть он может быть хрупким и податливым или прочным и жестким, что делает его применение чрезвычайно разнообразным. Между тем конфигурация полипропилена делает его особенно гибким и эластичным. Следовательно, мы видим эти типы пластика каждый день, преимущественно в предметах одноразового использования, таких как картон для молока, не говоря уже о пластиковой обертке, соломке, бутылках с водой, сумках для покупок, контейнерах для шампуня, крышках для бутылок – список можно продолжить.
Но это всего лишь две разновидности синтетических пластиков из многих десятков. Другие типы углеводородов выделяются и расщепляются из различных источников – не только из сырой нефти, но и из природного газа – и также используются для производства пластика. В некоторых случаях полимеры могут состоять из одного мономера, повторяющегося, как мы видим в полиэтилене и полипропилене, или они могут включать комбинации нескольких типов мономеров.
Более того, каждая из этих полимерных цепей будет затем обработана различными способами и смешана с различными добавками – антиоксидантами, пенообразователями, пластификаторами, антипиренами – которые позволяют им выполнять множество нишевых функций, которые делают пластмассы такими универсальными.
«Разные пластмассы должны иметь разные свойства», – сказал Бахети Live Science. «Возьмем, к примеру, упаковку для пищевых продуктов, которая должна препятствовать прохождению избыточного кислорода или солнечного света, чтобы избежать деградации, поэтому она содержит добавки, чтобы сделать это». Можно сказать, что именно добавки придают полимеру его свойства и приводят к образованию пластика “.
Эти последние достижения создают огромное разнообразие пластиковых изделий, которые мы имеем сегодня, и которые вносят огромный вклад в производство и хранение продуктов питания, косметику, технологии, медицину и здравоохранение.
«Чужой материал»
А теперь давайте еще раз пройдемся по этому производственному процессу. Пластик, синтезируемый из нефти и природного газа, получают путем выделения углеводородов, разделения их на составные части и последующего преобразования этих частей в совершенно новые образования, никогда ранее не встречавшиеся в природе. Проще говоря, это создает «чужеродный» материал, незнакомый микробам в воде и почве Земли, объяснил Бахети. «Углеродный каркас синтезированного пластика не распознается почвенными бактериями, то есть они не могут переваривать и преобразовывать его в воду и углекислый газ».
«Подобным полиэтилену могут потребоваться столетия, чтобы разложиться на свалках», – сказал Редшоу. «Это означает, что многое из того, что было произведено в течение нашей жизни, все еще остается в своем почти первоначальном виде. И настойчивость – не единственная проблема: поскольку оно постепенно распадается под воздействием солнечного света, воды и ветра, нефти и природного газа. производный пластик выбрасывает содержащиеся в нем парниковые газы, а также выщелачивает химикаты, добавленные во время производства, обратно в окружающую среду. Огромный объем одноразового пластикового загрязнения, особенно – в сочетании с его устойчивостью и постоянным воздействием на окружающую среду, которое может длиться веками – создал экологическую катастрофу, которую мы наблюдаем сегодня.
Но из этой нагромождения хлама может быть выход. Редшоу считает, что биоразлагаемые пластмассы, которые находятся в центре его исследований, могут стать одним из возможных решений. Если перефразировать, создание биоразлагаемого пластика не обязательно означает его производство из биологических источников, таких как кукурузный крахмал (хотя это может стать решением). Более конкретно, это влечет за собой изготовление пластика из полимеров, которые могут достаточно эффективно разрушаться микробами в воде и почве.
Чтобы это имело реальное влияние на планету, биоразлагаемые полимеры должны заменить полиэтилен и полипропилен на масляной основе, но при этом сохраняя такие свойства, как прочность и гибкость, которые делают эти обычные полимеры столь желанными. Это трудная задача, усложняющаяся тем, что производство обычных полимеров по-прежнему обходится дешевле.
Но некоторые биоразлагаемые варианты начинают прогрессировать. Один из них – это полилактиды, которые используются для изготовления одноразовых предметов, таких как чашки, столовые приборы и соломинки, которые могут более эффективно разлагаться при попадании в окружающую среду. По мнению Редшоу, количество таких изобретений, вероятно, будет расти по мере роста глобального давления, направленного на повышение устойчивости пластика.
Есть намеки на оптимизм и в других местах. В 2016 году исследователи обнаружили поедание пластика. бактерии, и другие с тех пор определили, что поедание полиэтилена черви (Этот зверь – гусеница большой восковой моли, как ранее сообщала Live Science). Они также обнаружили ферменты, которые могут быть разработаны для расщепления пластиковых отходов.
«Может быть, в предстоящие годы мы будем учиться у бактерий и червей, которые обладают способностью разрушать и переваривать пластмассы, даже такие вещи, как полиэтиленовые пакеты для переноски, и создадим больших искусственных червей, которые могут проедать наши пластиковые отходы – как гигантские личинки из “Доктора Кто” в 70-х! ” – сказал Редшоу.
В любом случае, в процессе создания пластика людям удалось взять сырье у природы и преобразовать его так основательно, что природа перестала их узнавать. Наша изобретательность – вот что привело нас в эту неразбериху; теперь, надеюсь, это поможет нам выбраться отсюда.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
